RC缓冲电路snubber设计基本知识
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RC 缓冲电路 snubber 设计原理
RC 缓冲snubber 设计
Snubber 用在开关之间,图 4 显示了RC snubber 的结构图,用RC 电路可以降低管子的峰值电压及关断损耗和降低电流振铃现象。
我们可以轻松选择一个snubber Rs ,Cs 网络,但是我们需要优化设
计以达到更好的缓冲效果
快速snubber 设计,为了达到Cs 〉Cp ,一个比较好的选择是
Cs 选择两倍大小的Cp ,也就是两倍大小的开关管寄生电容及估算出来的LAYOUT 布板电容,对于Rs ,我们选择的标准是
Rs=Eo/Io ,这表示通过电流流向Rs 的所产生的电压不能比输出电
压还大。
消耗在Rs 上的电压大小我们可以通过储存在Cs 上的能量来估计。
下式表示了储存在电容上的能量。
当电容Cs 充放电的过程中,能量在电阻Rs 上消耗,而这个过程中
在一个给定的开关频率下平均的功率损耗如下所得:
因为振铃的发生,实际的功耗比上式要稍微大一些。
如下将用实例来演示一遍以上的简化设计步骤,现在用IRF740 ,额定工作电流时Io=5A ,Eo=160V ,IRF740 的Coss=170pF ,布板寄生电容大概40pF ,两倍Cp 值大概420pF 左右,我们选择一个500V 的mike snubber 电容,标准的容值有390 和470pF ,我们选择比价接近的390pF ,Rs=Eo/Io=32W ,开关频率fs 设为100kHz 的话,Pdiss 大概为1W 左右,选择一个寄生电感非常小的 2 W 的碳膜电阻作为Rs 。
如果这种简化而实际有效的设计方法还不能有效减小峰值电压,那么我们可以增加Cs ,或则使用如下的优化设计方法。
优化的RC 滤波器设计
在一些情况下必须降低峰值电压及功率损耗很严重,我们可以借鉴以
下的优化snubber 设计方法,以下是W.McMurray 博士在一篇文章提出的经典的Rcsnubber 优化设计方法,如下讨论其精粹的设计步骤。
在以下讨论中我们需要如下表的定义:在设计过程中Io ,Eo 和Lp 需要事先知道,一个合理的峰值电压E1 也是必须的,这直接用来决定Rs 和Cs 的大小,图 5 显示了E1/E0 与z 在不同的 c 下的关系,图中的一个关键点是我们在一个给定的 c (c a 1/ Cs) 下可以得到一个最优化的z ( z a R s ) ,这一值让我们得到最优的设计,最低的峰值电压。
另外一个重要点是Cs 的大小决定了峰值电压的大小,如果要得到一个更低的峰值电压,我们就必须提高Cs 的大小,这也意味着我们峰值电压的减小意味着功率损耗的增大。
对于一个如图 6 给定的图形来说,RC 缓冲器设计非常简单,如下是设计的主要步骤:
1.决定Io ,Eo 和Lp 大小。
2.选择最大的峰值电压值
3.计算E1 /Eo
4.从图形中得到z 和 c
对给定的z , c 计算R s 和 C s
如下是一个实际的例子,如果Io=5A ,Eo=300V ,Lp=1uH ,
E1=400V
那么E1/Eo=1.33 ,按照图 6 虚线和圆圈标示, c o = 0.65 ,z o= 8 们可以用下式来计算R s 和 C s :
选择标准的电容 C s = 680pF ,标准电阻R s = 62 Ohms
上图 5 和图 6 并没有考虑开关并联电容和暂态时间的影响,在通常情况下,理想的Rs 将小于计算值,更为精确的优化设计需要
spice 的仿真。
图7 显示了使用IRF840 的Rs 优化设计,理想的设计值为
Rs=51W ,E1=363V 。
Rs=39 和62W ,E1 将更大,因为并联在开关管上电容影响,最终的峰值电压将小于400V ,如果E1 允许超过400V ,那么Cs 的值还可以减小,这样可以降低损耗。
决定Lp
Eo 和Io 直接从电路中得到,E1 的值是在开关的额定工作电压即功率元件降额上取得平衡。
我们必须选择最大的峰值电压来取,所有
这些等式都简单明了,但是Lp 是由LAYOUT 的电路特性决定,不容易计算得到,我们可以通过测量
一个振铃周期T1 ,在加上并在开关管上的测试电容Ctest 和重新测试的周期
T2 ,Lp 可以用下式计算得到:
通常Ctest 大约是开关电容的两倍。
RC snubber 网络在小中功率电源应用中非常有用,但是在上千功率段,RC 滤波器也
snubber 上的损耗过大,我们就需要考虑其他形式的拓扑结构,可以在高功率下作为一个备用方案来选择,主要用来抑制高频振铃,而伴随的能量不是很高的情况。